教学配套课件：数控机床电气控制

1、数控机床电气控制 下一页前言为了适应高职高专，特别是五年制高职的教学计划，适应市场经济需要，编者总结了多年的教学实践经验编写了“数控机床电气控制”一书。本书编写的目标是解决数控机床电气控制的技术及应用问题，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力，只有掌握了一定的基本原理、基本方法，通过基本技能的训练和实践，才能达到本课程的目标。下一页上一页本书取材较好地结合的专业特点，教学内容的深度和广度体现了先进性、灵活性和实用性。从计算机的诞生到数控机床的出现和应用，数控机床已经成为机电一体化产品的结果。而电气控制技术也在数控机床应用中产生了重要作用。下一页上一页本书以数控原理为理论基础，以数控机床的计算

2、机数控系统、常用低压电器、执行部件（进给伺服电动机、主轴电动机等）与控制部件（伺服驱动单元、PLC可编程控制器等）及其组成的数控机床自动控制线路为主线，是学习者更好的掌握数控机床电气控制原理、结构及初步设计技能，并具有一定的数控机床电气控制设计的创新能力。 下一页上一页目录第一章 数控机床常用低压电器 第二章 数控机床电气控制基本环节 第三章 计算机数控系统 第四章 数控机床伺服驱动系统 第五章 PLC及在数控机床电气控制中的应用第六章 数控机床电气控制电路设计实例第七章 数控机床电气故障维修基础 第一章 数控机床常用低压电器1.1 概述1.2 接触器1.3 继电器1.4 低压断路器1.5 熔

3、断器与主令电器1.6 电源变压器返回第二章 数控机床电气控制基本环节2.1 数控机床电气原理图的绘图规则2.2 数控机床电气控制的逻辑表示2.3 数控机床电气控制线路的基本规律返回第三章 计算机数控系统3.1 数控系统及其组成3.2 数控系统的类型3.3 计算机数控（CNC）系统结构3.4 SIEMENS和FANUC数控系统3.5 计算机数控装置的接口3.6 经济型与标准型数控系统3.7 数控系统的电磁兼容性返回第四章 数控机床伺服驱动系统4.1 数控机床驱动系统的概念4.2 数控机床的进驱动给系统4.3 数控机床的主轴系统4.4 位置检测装置返回第五章 PLC及在数控机床电气控制中的应用5.

4、1 可编程序控制器概述5.2 可编程序控制器组成及工作原理5.3 可编程序控制器及其指令系统5.4 可编程序控制器的程序设计5.5 PLC在数控机床上的应用返回第六章 数控机床电气控制电路设计实例6.1 数控机床电气控制电路设计原则6.2 TK1640数控车床电气控制电路6.3 XK714A数控铣床电气控制电路返回第七章 数控机床电气故障维修基础7.1 数控机床维修的基本要求7.2 数控机床故障分析的方法返回第一章 数控机床常用低压电器1.1 概述1.2 接触器1.3 继电器1.4 低压断路器1.5 熔断器与主令电器1.6 电源变压器1.1 概述 电力拖动是用电动机来带动生产机械运动的方式。生

5、产上广泛采用的控制系统为继电器接触器控制系统，即用按钮开关、接触器、继电器等有触点电器组成。其优点是结构简单、价格低、维修方便；缺点是体积大、工作寿命低。用这类电器组成较复杂控制系统时，显得触点多，易出故障。1.1.1电器分类通常，凡是对电能的生产、输送、分配和使用起控制、调节、检测、转换及保护作用的电工器械均可称为电器。电器的用途广泛，功能多样，构造各异，种类繁多。一按工作电压等级分类下一页1.1 概述1低压电器2高压电器二按操作方式的原理分类1手动电器2自动电器三按用途分类1低压配电电器2低压控制电器四按工作原理分类1电磁式电器下一页上一页1.1 概述 2非电量控制电器1.1.2低压电器的

6、结构电磁式电器在低压电器中占有十分重要的地位，在数控机床电气控制系统中应用最为普遍。电磁式电器主要由电磁机构、触头系统和灭弧装置等组成。一电磁机构电磁机构的主要作用是将电能量转换成机械能量，将电磁机构中吸引线圈的电流转换成电磁力，带动触头动作，完成通断电路的控制作用。下一页上一页1.1 概述 电磁机构由铁心、衔铁和线圈等几部分组成，其作用原理：当线圈中有工作电流通过时，电磁吸力克服弹簧的反作用力，使得衔铁与铁心闭合，由连接机构带动相应的触头动作。二触头系统触头的作用是接通或分断电路，因此要求触头要具有良好的接触性能，电流容量较小的电器常采用银质材料作触头，这是因为银的氧化膜电阻率与纯银相似，可

7、以避免触头表面氧化膜电阻率增加而造成接触不良。下一页上一页1.1 概述三灭弧装置电器的动静触点在断开电路的瞬间，由于气体中少量正、负离子在电场强度作用下加速运动，与中性气体分子碰撞，使其发生游离。同时，触点金属内部的自由电子从阴极表面逸出奔向阳极，也撞击中性气体分子，也使其激励和游离，这些离子在电场中定向运动时伴随着强烈的热过程，致使在电流通道内形成等离子体，并伴有强烈的声、光和热效应的弧光现象，即为电弧。 下一页上一页1.1 概述低压控制电器常用的具体灭弧方法有：1机械灭弧机械灭弧是通过机械装置将电弧迅速拉长。这种方法多用于开关电器中。2磁吹灭弧如图1-3所示是磁吹灭弧装置示意图。3窄缝（纵

8、缝）灭弧法如图1-4所示是利用灭弧罩上的窄缝实现灭弧的装置。下一页上一页1.1 概述当触点断开时，电弧在电动力的作用下进入窄缝内，窄缝可将电弧柱的直径压缩，使电弧与缝壁紧密接触，加快冷却和去游离作用，从而使电弧加快熄灭。4栅片灭弧法如图1-5所示是栅片灭弧示意图。由灭弧栅片（由多片镀铜薄钢片组成）、绝缘夹板等组成。 返回上一页1.2 接触器 接触器是一种低压自动切换、并具有控制与保护作用的电磁式电器。它可以用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机），并可实现远距离控制，主要用来控制电动机，也可控制电容器、电阻炉和照明器具等电力负载。一接触器的主要技术参数1额定电压。接触器铭牌上标注的额定

9、电压是指主触点的额定电压。常用的额定电压等级如表1-1所示。2额定电流。接触器铭牌上标注的额定电流是指主触点的额定电流。常用的额定电流等级如表1-1所示。 下一页1.2 接触器3线圈的额定电压。常用的额定电压等级如表1-2所示。 4接通和分断能力。指主触点在规定条件下能可靠地接通和分断的电流值。在此电流值下，接触器接通时主触点不应发生熔焊；接触器分断时主触点不应发生长时间的燃弧。接触器的使用类别代号通常标注在产品的铭牌或工作手册中。表中要求接触器主触点达到的接通和分断能力为：（1）AC1和DC1类允许接通和分断额定电流；（2）AC2、DC3和DC5类允许接通和分断4倍额定电流；（3）AC3类允

10、许接通6倍额定电流和分断额定电流；（4）AC4类允许接通和分断6倍额定电流；（5）额定操作频率。 下一页上一页1.2 接触器二接触器的型号含义1直流接触器型号的含义如图1-9所示为直流接触器型号的含义。2交流接触器型号的含义如图1-10所示为交流接触器型号的含义。三交流接触器的选择选用接触器时应从其工作条件出发，主要考虑下列因素。1控制交流负载应选用交流接触器；控制直流负载应选用直流接触器。2接触器的使用类别应与负载性质相一致。下一页上一页1.2 接触器 3主触头的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。4主触头的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流。5吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一

11、致，接触器在线圈额定电压85及以上时应能可靠地吸合。四接触器使用中的注意事项交流励磁的交流接触器在使用中应注意以下几个方面：1励磁线圈电压应为85%105%UN。下一页上一页1.2 接触器2铁心衔铁上短路环应完好。3衔铁、触点支持件等活动部件动作应灵活。4铁心、衔铁端面接触良好、无异物。5触点表面接触良好，有一定的超程和接触压力。6操作频率应在允许范围内。返回上一页1.3 继电器继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路，实现控制目的电器。继电器的输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是温度、速度、压力等非电量，输出为相应的触点动作继电器的种类很多，按输入信号的性质分为电压继电器、电流继

12、电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器、中间继电器、压力继电器等。 一电磁式继电器电磁式继电器是应用最多的一种继电器，其结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成。 下一页1.3 继电器 由于继电器是用于切换小电流的控制电路和保护电路，触点的容量较小，不需要灭弧装置。如图1-11所示为电磁式继电器的外形图。1电磁式继电器的种类电磁式继电器按吸引线圈电流种类不同有交流和直流电磁式继电器两种。按反应参数可分为电压继电器和电流继电器。 （1）电流继电器根据输入（线圈）电流大小而动作的继电器称为电流继电器。它的线圈串联在被测量的电路中，以反应电路电流的变化。 下一

13、页上一页1.3 继电器（2）电压继电器根据输入电压大小而动作的继电器称为电压继电器。它的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器线圈并联在被测量的电路的两端，以反应电路电压的变化，可作为电路的过电压或欠电压保护。（3）中间继电器中间继电器实质上是电压继电器的一种，但它触点多（多至六对或更多），触点电流容量大（额定电流510A），动作灵敏（动作时间不大于0.05s）。 下一页上一页1.3 继电器中间继电器的作用是将一个输入信号变成多个输出信号或将信号放大的继电器。它主要依据被控制电路的电压等级，触点的数量、种类及容量来选用。线圈电流的种类和电压等级应与控制电路一致。如数控机床的控制电路采用直流2

14、4V供电，则继电器应选择线圈额定电压为24V的直流继电器。按控制电路的要求选择触点的类型（是常开还是常闭）和数量。继电器的触点额定电压应大于或等于被控制回路的电压。下一页上一页1.3 继电器继电器的触点电流应大于或等于被控制回路的额定电流，若是电感性负载，则应降低到额定电流50%以下使用。2电磁式继电器动作值的整定方法电磁式继电器的吸合值与释放值的整定方法有以下几种：（1）吸合动作值整定调整释放弹簧松紧程度。将释放弹簧调紧了，反作用力增大，吸合动作值提高，反之减少。改变铁心与衔铁之间的初始气隙。在反作用弹簧力和非磁性垫片厚度不变的情况下，初始气隙越大，吸合动作值也越大，反之就小。下一页上一页1

15、.3 继电器（2）调整释放值调整释放弹簧的松紧程度。释放弹簧调的越紧，释放值也越大，反之越小。改变铁心与衔铁之间的初始气隙。在反作用弹簧力和非磁性垫片厚度不变的情况下，初始气隙越大，吸合动作值也越大，反之就小。2电磁式继电器主要技术参数二时间继电器时间继电器是一种在接受或去除外界信号后，用来实现触点延时接通或断开的控制电器。 下一页上一页1.3 继电器 时间继电器按延时方式可分为通电延时型和断电延时型两种。 1空气阻尼式时间继电器空气阻尼式时间继电器由电磁系统、延时机构和触点系统三部分组成。它是利用空气阻尼原理获得延时的，其结构示意图与动作原理如图1-14所示。 2晶体管式时间继电器晶体管式时

16、间继电器也称为半导体式时间继电器。它是应用RC电路充电时，电容器上的电压逐步升高的原理作为延时的基础。 下一页上一页1.3 继电器3时间继电器的选用原则每一种时间继电器都有其各自的特点，应根据电路工作性能要求进行合理选用，以充分发挥它们的优点。因此，在选用时应从以下几个方面进行考虑：（1）确定延时方式，使更方便于组成控制电路。（2）根据延时精度要求选用适当的时间继电器。（3）考虑电源参数变化及工作环境温度变化对延时精度的影响。（4）操作频率高是否影响其延时动作的失调。下一页上一页1.3 继电器（5）时间继电器动作后，其复位时间的长短。（6）时间继电器的延时范围。（7）电路励磁电流的性能。三热继

17、电器热继电器是一种利用电流的热效应时触电动作的保护电器。常用于电动机的长期过载保护。 1热继电器的结构及工作原理热继电器基本结构由热元件（电阻丝）、双金属片、触点系统、动作机构、复位按钮、整定电流装置和温升补偿元件等部分组成，如图1-17所示。下一页上一页1.3 继电器2热继电器的主要技术参数及常用型号热继电器的主要技术参数有热继电器额定电流、相数，热元件额定电流，整定电流及调节范围等。热继电器的额定电流是指热继电器中，可以安装的热元件的最大整定电流值。热元件的额定电流是指热元件的最大整定电流值。3热继电器的选择热继电器选用是否得当，直接影响着对电动机进行过载保护的可靠性。通常选用时应按电动机

18、形式、工作环境、启动情况及负荷情况等几方面综合加以考虑。下一页上一页1.3 继电器（1）原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。 （2）在不频繁启动场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误动作。 （3）当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。 四速度继电器速度继电器根据电磁感应原理制成，用来在三相交流异步电动机反接制动转速过零时，自动切除反相序电源，起到对电动机的反接制动控制，也称为反接制动继电器。如图1-19所示为速度继电器的结构原理图。下一页上一页1.3 继电器五固态继电器固态继电器（Solid State Relay）简称SSR，是上世纪70年代中

19、后期发展起来的一种新型无触点继电器。 1固态继电器的分类固态继电器是一种具有两个输入端和两个输出端的一种四端器件，按输出端负载电源类型可分为直流型和交流型两类。 2固态继电器主要技术数据3固态继电器的使用返回上一页1.4 低压断路器低压断路器是将控制电器和保护电器的功能合为一体的电器。 低压断路器的主要参数有：额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其额定电流、整定范围、电磁脱扣器整定范围、主触点的分断能力等。目前，数控机床常用的低压断路器有塑料外壳式断路器和小型断路器。一塑料外壳式断路器塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成，均安装在塑料外壳内组成一体。下一页1.

20、4 低压断路器二小型断路器小型断路器主要用于照明配电系统和控制回路。外形如图1-25所示，如图1-26所示为断路器图形及文字符号。三低压断路器的选择1低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。2低压断路器的极限通断能力应大于或等于电路的最大短路电流。3欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。4过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。返回上一页1.5 熔断器与主令电器一熔断器熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器。在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损

21、坏。1熔断器主要参数（1）额定电压。 （2）额定电流。 （3）极限分断能力。 下一页1.5 熔断器与主令电器2熔断器的选择选择熔断器主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。（1）熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压。（2）熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。（3）熔体的额定电流的选择：用于保护照明或电热设备的熔断器，因为负载电流比较稳定，所以熔体的额定电流应等于或稍大于负载的额定电流 用于保护单台长期工作电动机（即供电支线）的熔断器，考虑电动机启动时不应熔断 下一页上一页1.5 熔断器与主令电器用于保护频繁启动电动机（即供电支线）的熔断器，考虑频繁启动时发热,

22、 熔断器也不应熔断 用于保护多台电动机（即供电干线）的熔断器，在出现尖峰电流时也不应熔断。 为防止发生越级熔断，上、下级（即供电干、支线）熔断器间应有良好的协调配合 二开关1闸刀开关（胶盖刀开关）（1）文字符号：QS（2）图形符号如图1-31所示。下一页上一页1.5 熔断器与主令电器 （3）基本结构及动作原理 （4）主要技术参数型号：胶盖刀开关即开启式负荷开关，适用于交流50Hz，额定电压单相220V、三相380V，额定电流至100A的电路中，作为不频繁地接通和分断有负载电路与小容量线路地短路保护之用。 额定参数：额定电压 ，额定电流。（5）刀开关的选用刀开关的额定电压应等于或大于电路额定电压

23、。 下一页上一页1.5 熔断器与主令电器2组合开关（1）文字符号：QS（2）图形符号如图1-36所示。 （3）基本结构及动作原理 （4）主要技术参数型号：广泛应用于电器设备的电源开关、测量三相电压和控制7.5kW以下小容量电动机的直接启动、正反转等不频繁操作的场合。 （1）控制按钮下一页上一页1.5 熔断器与主令电器按钮通常用来接通或断开控制电路（其中电流很小），从而控制电动机或其它电器设备的运行，原来就接通的触点，称为常闭触点；原来就断开的触点，称为常开触点。 （2）指示灯指示灯用来发出下列型式的信息：指示：引起操作者注意或指示操作者应该完成某种任务。红、黄、绿和蓝色通常用于这种方式；确认：

24、用于确认一种指令、一种状态或情况，或者用于确认一种变化或转换阶段的结束。蓝色和白色通常用于这种方式，某些情况下也可用绿色。下一页上一页1.5 熔断器与主令电器（3）行程开关行程开关是用来反映工作机械的行程发布命令以控制其运动方向或行程大小的主令电器。 （4）接近开关接近开关是非接触式的监测装置，当运动着的物体接近它到一定距离范围内，就能发出信号，以控制运动物体的位置或计数。（5）微动开关、脚踏开关微动开关是具有瞬时动作和微小的行程，可直接由某一定的力经过一定的行程使触头速动，从而实现电路的转换的灵敏开关。 返回上一页1.6 电源变压器一电源电器1变压器变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率

25、相同但数值不同的交流电压的静止电器。（1）机床控制变压器机床控制变压器适用于交流5060Hz，输入电压不超过660V的电路，作为各类机床、机械设备等一般电器的控制电源、步进电机驱动器、局部照明及指示灯的电源。（2）三相变压器下一页1.6 电源变压器现在普遍采用的三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器，从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。 （3）变压器的选择变压器的选择的主要依据是变压器的额定值，根据设备的需要，变压器有标准和非标准两类。以下分别是这两类变压器的选择方法。1）标准变压器下一页上一页1.6 电源变压器2）非标准变压器设计时常常需要设

26、计者根据要求自己制定变压器的规格，这种非标准变压器的选择方法如下选择初级额定电压U1（如380V,220V），电源频率（如50Hz），次级绕组电压、电流及总容量，方法与标准变压器相同。 变压器的选用除了要满足变压比之外，还要考虑变压器性价比，优先选用变压档输出全的变压器，以达到只用一个变压器多电压档输出，能够同时满足控制电路、照明电路、标准电器等对电压大小的不同要求，这样一方面节约成本，另一方面节省了安装空间。下一页上一页1.6 电源变压器2直流稳压电源直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。在数控机床系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、小直流继电器、信号指示等提供直流电源，

27、数控机床中主要使用开关电源和一体化电源。（1）开关电源开关电源被称作高效节能电源，因为内部电路工作在高频开关状态，所以自身消耗的能量很低，电源效率可达80%左右，比普通线性稳压电源提高近一倍。 下一页上一页1.6 电源变压器（2）一体化电源一体化电源是采用传导冷却方式的AC/DC开关电源，应用于数字电路、工业仪表、交通运输、通讯设备、工控机等大型设备及科研与实验设备，作为直流供电电源。一体化电源外形如图1-58所示。 （3）电源的选择选择电源时需要考虑的问题主要有：电源的输出功率输出路数；电源的尺寸；电源的安装方式和安装孔位；电源的冷却方式；电源在系统中的位置及走线；环境温度；绝缘强度；电磁兼

28、容；环境条件。下一页上一页1.6 电源变压器为了提高系统的可靠性，建议电源工作在50%80%负载为佳，即假设所用功率为20W，应选用输出功率为25W40W的电源。尽量选用厂家的标准电源，包括标准的尺寸和输出电压。 所需电源的输出电压路数越多，挑选标准电源的机会就越小，同时增加输出电压路数会带来成本的增加，目前多电路输出的电源以三路，四路输出较为常见。 明确输入电压范围，以交流输入为例，常用的输入电压规格有110V、220V，所以相应就有了110V,220V交流切换，以及通用输入电压（AC:85V264V）三种规格。 下一页上一页1.6 电源变压器 电源在工作时会消耗一部分功率，并以热量的形式释

29、放出来，所以用户在进行系统设计时（尤其是封闭的系统）应考虑电源的散热问题。 如果环境不是很恶劣或电柜中（符合防护等级IP54）可选用普通电源；如果在条件恶劣的环境中使用，比如油污、潮湿、腐蚀等，选用全密封的一体化电源较好。 返回上一页图1-3 磁吹灭弧装置返回图1-4 窄缝（纵缝）灭弧装置返回图1-5 栅片灭弧装置返回表1-1 接触器的额定电压和额定电流的等级表返回直流接触器交流接触器额定电压 （单位：V）110，220，440，660127，220，380，500，660额定电流 （单位：A）5，10，20，40，60，100，150，250，400，6005，10，20，40，60，100

30、，150，250，400，600表1-2 接触器线圈的额定电压等级表返回直流线圈交流线圈24，48，100，220，44036，110，127，220，380图1-9 直流接触器型号的含义返回图1-10 交流接触器型号的含义 返回图1-11 电磁式继电器外形图返回 图1-14 空气阻尼式时间继电器结构示意图与动作原理 返回图1-17 热继电器结构示意图返回图1-19 速度继电器的结构原理图返回图1-25 小型断路器外形图 返回 图1-26 小型断路器图形及文字符号（单极和三极） 返回 图1-31 刀开关的图形符号返回图1-36 组合开关的图形符号返回图1-58 一体化电源外形图返回 第二章 数

31、控机床电气控制基本环节2.1 数控机床电气原理图的绘图规则2.2 数控机床电气控制的逻辑表示2.3 数控机床电气控制线路的基本规律2.1 数控机床电气原理图的绘图规则 电力拖动控制系统由拖动机器的电动机和电气控制电路等组成。为了表达电气控制系统的设计意图，便于分析其工作原理、安装、调试和检修控制系统，必须采用统一的图形符号和文字符号来表达。一电气控制线路的图形及文字符号电气图示符号有：图形符号、文字符号、回路标号以及坐标标示和文字标示。1图形符号 图形符号通常用于图样或其它文件以表示一个设备或概念的图形、标记或字符。 下一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则（1）符号要素一种具有确定意义的简

32、单图形，必须同其它图形组合才构成一个设备或概念的完整符号。（2）一般符号用以表示一类产品和此类产品特征的一种简单的符号。如电动机可用一个圆圈表示。（3）限定符号用于提供附加信息的一种加在其它符号上的符号。运用图形符号绘制电气系统图时应注意：符号尺寸大小、线条粗细依国家标准可放大与缩小，但在同一张图样中，同一符号的尺寸应保持一致，各符号问及符号本身比例应保持不变。下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则标准中示出的符号方位，在不改变符号含义的前提下，可根据图面布置的需要旋转，或成镜象位置，但文字和指示方向不得倒置。大多数符号都可以加上补充说明标记。有些具体器件的符号由设计者根据国家标准的

33、符号要素、一般符号和限定符号组合而成。国家标准未规定的图形符号，可根据实际需要，按突出特征、结构简单、便于识别的原则进行设计，但需要报国家标准局备案。 下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则2文字符号分为基本文字符号和辅助文字符号。 （1）基本文字符号有单字母与双字母两种。 （2）辅助文字符号是用以表示电气设备、装置和元器件以及电路的功能，状态和特征的。 （3）补充文字符号的原则 在不违背国家标准文字符号编制的条件下，可采用国际标准中规定的电气技术文字符号。在优先采用基本和辅助文字符号的前提下，可补充未列出的双字母文字符号和辅助文字符号。文字符号应按电气名词术语国家标准或专业技术标准

34、中规定的英文术语缩写而成。 下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则文字符号采用拉丁字母大写正体字。因拉丁字母中大写正体字“I”和“O”易同阿拉伯数字“l”和“0”混淆，因此不允许单独作为文字符号使用。3电路各接点标记三相交流电源引入线采用L1、L2、L3标记。电源开关之后的三相交流电源主电路分别按U、V、W顺序标记。分级三相交流电源主电路采用三相文字代号U、V、W的前边加上阿拉伯数字l、2、3等来标记，如lU、1V、1W；2U、2V、2W等。下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则各电动机分支电路各接点标记采用三相文字代号后面加数字来表示，数字中的个位数表示电动机代号，十位数

35、字表示该支路各接点的代号，U21为第一相的第二个接点代号，以此类推。电动机绕组首端分别用U、V、W标记，尾端分别用U、V、W标记，双绕组的中点则用记。控制电路采用阿拉伯数字编号，一般由三位或三位以下的数字组成。 2电气控制线路的绘制电气控制线路的表示方法有两种, 一种是原理图，一种是安装图。由于它们的用途不同，绘制原则亦有所差别。下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则（1）电气原理图绘制的基本规则电气控制电路原理图按所规定的图形符号、文字符号和回路标号进行绘制。原理图分为主电路和辅助电路两部分画出：主电路就是从电源到电机绕组的大电流通过的路径。 原理图中所有电器触点，都按没有通电或没

36、有外力作用时的开闭状态画出。 原理图中，各电器元件的导电部件如线圈和触点的位置，应根据便于阅读和分析的原则来安排，绘在它们完成作用的地方。 下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则原理图中，有直接电联系的交叉导线的连接点，要用黑圆点表示。 原理图中，具有循环运动的机械设备，应在电气控制电路原理图上绘出工作循环图。 由若干元件组成的具有特定功能的环节，可用虚线框括起来，并标注出环节的主要作用，如速度调节器、电流继电器等。电气控制电路原理图的全部电机、电器元件的型号、文字符号、用途、数量、额定技术数据，均应填写在元件明细表内。（2）图面区域的划分图面分区时，竖边从上到下用拉丁字母，横边从左

37、到右用阿拉伯数字分别编号。下一页上一页2.1 数控机床电气原理图的绘图规则（3）符号位置的索引在较复杂的电气原理图中，对继电器、接触器的线圈的文字符号下方要标注其触点位置的索引；而在触点文字符号下方标注其线圈位置的索引。 （4）电气原理图中技术数据的标注电气元件的技术数据，除在电气元件明细表中标明外，有时也可用小号字体注在其图形符号的旁边。3数控机床电气原理图电气原理图包含有各种导线的标号及规格，电机功率，接触器的触点和线圈，继电器的触点，断路器，熔断器等。电器一般均标明了规格及参数。返回上一页2.2 数控机床电气控制的逻辑表示一机床电气的逻辑表示逻辑变量通常只有“1”，“0”两种取值，表示两

38、种相反的逻辑状态，开关、线圈元件触点的开关状态，线圈的通断电状态。 二逻辑运算法则1逻辑与电路如图2-2所示触点串联实现逻辑与运算，逻辑“与”运算相当于算术运算中的“乘”运算，用符号“”表示，图2-2中的电路可用逻辑表达式表示为KM=KA1KA2下一页2.2 数控机床电气控制的逻辑表示2逻辑或电路如图2-3所示触点并联实现逻辑或运算，逻辑“或”运算相当于算术运算中的“加”运算，用符号“+”表示，图2-3中的电路可用逻辑表达式表示为KM=KA1+KA23逻辑非电路如图2-4所示触点联接实现逻辑非运算。逻辑“非”用符号“”表示，图2-5中的电路可用逻辑表达式表示为KM=KA返回上一页2.3 数控机

39、床电气控制线路的基本规律一自锁控制如图2-5所示为三相异步电动机单向全压启动、停止控制线路，主电路由断路器QA，接触器KM的主触点、电动机构成。2互锁控制生产中常需要电机能实现正反两个方向的转动，如数控机床主轴的正反转。由三相异步电机的原理可知，只要将电机接到三相电源中的任意两根联线对调，即可使电动机反转。3实现按顺序工作的联锁控制生产实践中经常要求各种运动部件之间能够实现按顺序工作。例如车床主轴转动时要求油泵先给齿轮箱供油润滑，即要求保证润滑泵电动机启动后主电机才允许启动。 下一页2.3 数控机床电气控制线路的基本规律4自动循环为了降低成本，提高劳动生产率，因而要求自动化生产。例如车床车削螺

40、纹通过使用行程开关达到使刀架自动进刀、进给、退刀、返回等，图2-8表示刀架的自动循环，要求刀架移动到位置2后退刀，然后自动退回位置1。 四数控机床电气控制线路应用示例图2-10为机床的动力线路，图中交流接触器KM1和KM2用来控制主轴电机M1的正反转，断路器QF2作为主轴电机的过载及短路保护；下一页上一页2.3 数控机床电气控制线路的基本规律交流接触器KM4和KM5用来控制刀架电机M3的正反转，断路器QF3作为冷却电机的过载及短路保护； 图2-11为机床的交流控制线路，图中交流接触器KM1线圈和KM2一对常闭辅助触点串接，交流接触器KM2线圈和KM1一对常闭辅助触点串接，从而实现主轴电机正反向

41、接触器间的互锁控制； 图2-12为机床的电源线路，图中变压器TC2原边接三相AC380V，副边三组绕组分别提供AC220V、AC24、AC110V电压，AC220V给开关电源供电，AC24给工作灯供电，AC110V给电柜风扇供电，熔断器FU1FU3用来对线路进行过载及短路保护。返回上一页图2-2 “与”电路返回图2-3 “或”电路返回图2-4 “非”电路返回图2-5 接触器自锁电路返回图2-5 接触器自锁电路返回图2-8 刀架的自动循环返回图2-10 机床动力线路返回图2-11 机床交流控制线路返回图2-12 机床电源线路返回第三章 计算机数控系统3.1 数控系统及其组成3.2 数控系统的类型

42、3.3 计算机数控（CNC）系统结构3.4 SIEMENS和FANUC数控系统3.5 计算机数控装置的接口3.6 经济型与标准型数控系统3.7 数控系统的电磁兼容性3.1数控系统及其组成 数控系统采用数控技术实现数控机床的数字控制。它主要由计算机数控装置、数控加工程序输入/输出装置、主轴单元、伺服单元、驱动装置、可编程控制器（PLC）及电气逻辑控制装置、辅助装置、测量装置组成。 1数控装置数控装置是数控系统的核心，它包括微处理器CPU、存储器和接口电路组成。其主要功能是接收、存储零件程序，并对其进行译码、计算、插补和逻辑判断等处理，然后输出坐标轴位移信号和辅助运动控制信号。 下一页3.1数控系

43、统及其组成2输入输出装置数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行学习交流的过程，输入输出装置就是操作人员与数控机床之间的交互界面。3伺服单元和驱动装置伺服单元和驱动装置位于数控装置和机床之间。其主要作用是把来自于数控装置的信号进行功率放大，以驱动电机拖动机床运动。 4主轴驱动系统主轴驱动系统和进给伺服驱动系统有很大的差别，主轴驱动系统主要是旋转运动。 下一页上一页3.1数控系统及其组成5可编程控制器（PLC）可编程控制器（PLC）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。 6测量装置测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际

44、位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。 7辅助装置（1）转位刀架是一种刀具储存装置，可以同时安装4、6、8、12把刀具不等。 下一页上一页3.1数控系统及其组成（2）刀库是加工中心机床的关键部件之一，在加工中心机床中用来储存和运送刀具，它的结构形式很多，主要有盘式和链式两种结构形式，盘式刀库存储容量较小（30把刀以下），链式刀库存储容量较大。 （3）机械手是加工中心换刀机构的核心部件。换刀时机械手在机床主轴（或刀架）与刀库之问，执行新旧刀具交换的任务，在一个换刀程序中要完成抓刀、拔刀、交换（新旧刀对调）装刀，复位等动作。 返回上一页

45、3.2 数控系统的类型一按被控机床运动轨迹分类1点位控制数控系统2直线控制数控系统3轮廓控制数控系统这类数控系统能够同时对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，使其合成的平面或空间的运动轨迹符合被加工工件形状的要求。 二按伺服系统分类按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类：下一页3.2 数控系统的类型1开环控制数控系统这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件，如框图3-2所示。2闭环控制数控系统这类数控系统带有位置检测反馈装置，以直流或交流电动机为驱动元件。按照位置检测装置安装位置的不同，闭环控制数控系统可以进一步分为全闭环控制、半闭环控制和混

46、合控制数控系统三类。（1）全闭环控制数控系统（2）半闭环控制数控系统下一页上一页3.2 数控系统的类型（3）混合控制数控系统开环补偿型控制数控系统 其控制框图如图3-5所示，它在开环控制的基础上，附加一补偿（校正）环节。这样既保留了开环控制的优点，又较好地解决了步进电动机丢步和过冲的问题，使开环控制的控制精度得以提高。半闭环补偿型控制数控系统 其控制框图如图3-6所示，它采用半闭环进行基本驱动，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环，用半闭环和全闭环的差值进行控制，因而这种系统既可以快速获得稳定的控制特性，又可以获得高精度。 下一页上一页3.2 数控系统的类型三按数控系统功能水平分类按照

47、数控系统的功能水平，数控系统可以分为经济型（低档型）、普及型（中档型）和高档型数控系统三种。 1经济型又称简易数控系统这一档次的数控机床通常仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统 2标准型通常称之为全功能数控系统这类数控系统功能较多，但不追求过多，以实用为准，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等 下一页上一页3.2 数控系统的类型3高档型数控系统指加工复杂形状工件的多轴控制数控机床，且其工序集中、自动化程度高、功能强、具有高度柔性。采用的微机系统为32位以上微处理机系统，机床

48、的进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制，最小进给分辨率为0.1s，最大快速移动速度能达到100mmin或更高，具有三维动画图形功能和宜人的图形用户界面，同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且能实现计算机的联网和通信。 返回上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构一CNC的硬件结构CNC装置由硬件和软件两大部分组成。硬件装置由微处理器（CPU）、存储器、位置控制、输入/输出接口、PLC、图形、电源等模块组成，硬件的组成如

49、图3-7所示。软件主要指系统软件，包括管理软件和控制软件，软件组成如图3-8所示。1单微处理器结构单微处理器结构只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控的各个任务。 下一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（1）微处理器和总线微处理器主要完成控制和运算两个方面的任务。控制任务主要包括内部控制、对零件加工程序输入输出的控制、对机床加工现场状态信息的记忆控制。 运算任务是完成一系列的数据处理工作：译码、刀补计算、运动轨迹计算、插补计算和位置控制的给定值与反馈值的比较计算。（2）存储器CNC装置中的存储器包括只读存储器ROM和随机存储器RAM两类。下一页上一页3.3 计算机数控

50、（CNC）系统结构（3）位置控制单元CNC装置中的位置控制单元又称为位置控制器或位置控制模块。 （4）输入输出接口数控计算机的I0接口是连接计算机与各类外围设备及机床伺服控制机构，实现计算机与外部设备信息交换的通路。 2单微处理器结构的CNC系统特点单微处理器结构的CNC系统具有如下一些特点：（1）CNC系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制，以及CRT显示等功能都由它集中控制分时处理。下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等各种接口连接，构成CNC系统。（3）结构简单，容易实现。（4）单微处理器因为只有一个微处理器集中控制

51、，其功能将受微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。3多微处理器结构多微处理器结构多采用模块化结构，典型的结构有共享总线型、共享存储型、以及他们的混合型结构等。每个微处理器分管各自的任务特定的功能单元，即功能模块。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（1）CNC管理模块用来管理和组织整个CNC系统的工作，主要包括系统的初始化中断管理、总线仲裁、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。（2）CNC插补模块用来完成零件程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，按规定的插补类型进行插补计算，为各坐标轴提供位置给定值。（3）PLC模块下一页上一页3.3 计

52、算机数控（CNC）系统结构零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中做逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁、机床电气设备的启与停、刀具变换、转台分度、工件数量和运转时间的计数等。（4）位置控制模块（5）操作控制数据输入偷出和显示模块零件程序、参数和数据，各种操作命令的输人（如通过纸带阅读机、键盘，或上级计算机等）、输出（如通过穿孔机、打印机），以及显示（如通过CRT等）所需要的各种接口电路。（6）存储器模块下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构这是程序和数据的主存储器，或是功能模块间数据传送用的共享存储器。4多微处理器CNC装置的共享总线结构如图3-11所示，在共享总线结构

53、中，是将带CPU或DMA的模块，即主模块直接挂在共享总线上。 5多微处理器CNC装置的存储器多微处理器CNC装置采用多端口存储器来实现多微处理器之间的互联和通讯，即数据交换，每个端口都配备有一套数据、地址和控制线，以供端口访问，由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（1）CPU1为中央处理器，其任务是数控程序的编程、译码，以及刀具和机床参数的输入。（2）CPU2为插补处理器，插补控制程序。（3）CPU4为CRT显示处理器，它的任务是根据CPU1的指令和显示数据，在显示缓冲区中组成一幅画面数据，通过CRT控制器，字符发生器和移位寄存器，将

54、显示的数据送到视频电路进行显示。（4）共享存储器，是通过CPU1分别向CPU2和CPU4发送总线请求时保持信号HOLD，才被占用的。下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构6微处理器数控装置的特点（1）计算处理速度高多微处理器结构中，每一个处理器完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序，并行运行，比单微处理器提高了计算处理速度。 （2）可靠性高由于系统中每个微处理器分管各自的任务，形成若干模块。 （3）有良好的适应性和扩展性多微处理器的CNC装置大都采用模块化结构。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（4）硬件易于组织规模生产一般硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就

55、可构成不同的CNC装置，便于组织规模生产，保证质量，形成批量。二CNC的软件结构CNC装置是由硬件和软件组成的。硬件为软件提供了一个支持环境，在系统软件的作用下，CNC装置对输入的程序进行处理并发出相应的控制命令。 1CNC装置的控制流程数控加工是个位置控制装置，它由CNC装置根据零件加工程序控制数控机床自动完成的。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（1）输入数控加工所需要的零件加工程序通常从键盘或光电阅读机输入。现代CNC系统也可以通过通信接口由上位计算机或其他设备输入。 （2）译码译码即是将零件加工程序转换为CNC装置能够接受的代码。译码处理总是以程序段为单位进行的。 译码

56、本身包括对零件加工程序的整理和存放。常用以下两种方法：下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构不按字符格式的整理与存放零件加工程序经译码，去掉程序段序号，每个程序段数据均以LF或CR开头和结尾。 保留字符格式的整理与存放采用这种方法，在零件加工程序输入时，只对字符换码，暂不进行十翻二运算及格式整理。 （3）预处理预处理是插补运算前的预备处理。在预处理中，对译码生成的目标代码进行刀具补偿处理和进给速度处理。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构进给速度处理包括：根据程序给出的坐标合成速度计算出各运动坐标方向的分速度。根据机床允许的最低速度和最高速度进行限速处理。 （4）插补插

57、补是在一条已知起点和终点的曲线上进行数据点的密化。插补算法是机床数控技术中的一个基本问题。 位置控制在闭环（半闭环）的CNC系统中，位置控制由CNC装置中的位置环来完成。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构I/O处理I/O处理即是利用PLC程序对CNC装置与机床之间的信号输入、输出进行逻辑处理和控制。显示现代CNC装置多采用CRT或LCD作为显示工具。可以显示零件加工程序、参数、刀具位置、机床状态、故障信息、加工轨迹的静态和动态图形。 诊断现代CNC装置都具有比较完善的诊断功能。一般有三种类型的诊断：起动诊断、在线诊断和离线诊断。下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构2

58、CNC装置的软件结构在CNC软件的设计中，必须考虑CNC装置的实时、多任务、并行处理等特点。一般而言，软件结构首先要受到硬件的限制。 （1）前后台式软件结构前后台型的软件结构就是将数控系统的整个控制软件分前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，实现插补、位置控制及机床开关逻辑控制等实时功能，后台程序又称背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输人和预处理（预译码，刀补计算和速度计算等数据处理）以及管理的各项任务。 下一页上一页3.3 计算机数控（CNC）系统结构（2）中断式软件结构中断式软件结构没有前后台之分。中断型软件结构的特点是：除初始化程序外，整个系统软件、各任务模块

59、分别安排在不同级别的中断服务程序中，即整个软件就是一个庞大的中断系统，其管理功能主要是通过各级中断服务程序之间的相互通讯来完成的。 在多CPU的数控系统中，各CPU分别承担一定的任务，因而具有很高的并行处理能力，它们之间的通讯依靠共享总线或共享存储器进行协调。返回上一页3.4 SIEMENS和FANUC数控系统 一德国SIEMENS数控系统SIEMENS公司是生产数控系统的著名厂商。产品有SINUMERIK3、8、810/820、850/880、840、802等系列，分别介绍如下。1SINUMERIK 8系列SINUMERIK 8系列是SIEMENS公司20世纪80年代初期推出的CNC产品。

60、2SINUMERIK 3系列该系列产品适用于各种机床的控制，有M型、T型、TT型、G型和N型等。 下一页3.4 SIEMENS和FANUC数控系统3SINUMERIK 810820系列该系列是20世纪80年代中期的产品，分为M型、T型、G型等。M型用于镗床、铣床和加工中心，T型用于车床，G型用于磨床。 4SINUMERIK 850880系列该系列产品是SIEMENS公司于20世纪80年代后期推出的CNC产品，适用于高自动化水平的机床及柔性制造系统。 5SINUMERIK 802S/C/D系列SINUMERIK 802S是SIEMENS公司在20世纪9 0年代中后期推出的经济型数控系统。二FAN